miércoles, 27 de julio de 2011

La historia del mundo en 7 párrafos

Este post es doble. Lo he dividido así por marcar la separación entre ciencia y opiniones personales. Pero probablemente en las explicaciones científicas incorporo algo de opinión personal y la justificación de mis opiniones la baso en argumentos científicos. El post de conocimientos contiene, mediante un recopilatorio de muchos conceptos que ya he mencionado otros días, una explicación acerca de cuándo surgió el mundo, cómo ha crecido y hacia dónde creemos que va, y cuando hablo de mundo me refiero a la Tierra, el cielo, nosotros, los objetos que vemos, etc. Hablo de la existencia en general. En el post “personal” me atrevo a dar una opinión sobre el por qué de la existencia.


¿Podemos tratar científicamente el origen del mundo? Es decir, ¿tenemos alguna prueba física que justifique nuestros argumentos? Las religiones lo hacen constantemente basándose en las creencias. Pero ¿el hombre del siglo XXI tiene algún elemento tangible en el que apoyarse? Sí, claramente podemos dar una explicación rotunda de muchas cosas. Y no hacen falta grandes conocimientos técnicos para ello.


A mediados del siglo XIX un alemán llamado Olbers planteó esta reflexión que cualquiera puede hacerse en una noche oscura a cielo abierto: ¿por qué el cielo es negro? Es importante que todo el mundo se la haga porque al cabo de medio minuto de reflexión uno se da cuenta de que si el universo es infinito y hay estrellas por todas partes, su luz acabará llegando a nosotros, y mirando en cualquier dirección habrá una estrella de la cual veremos su luz, con lo que el cielo nocturno debería ser una alfombra estelar iluminada.


Hacia 1915 se creyó haber encontrado la respuesta: cuando se pudo medir con precisión la distancia a la que se encuentran los objetos celestes (y no es complicado porque se puede hacer con prismáticos, telescopios y cámaras fotográficas), se encontró que el firmamento no está uniformemente repartido, sino que las estrellas se agrupan en galaxias dejando grandes vacíos entre ellas. De esta manera parecía que era posible explicar la llamada ‘paradoja de Olbers’ aceptando que las estrellas de nuestra galaxia no cubren todo el cielo, que entre una galaxia y otra la luz nos llega muy debilitada, etc. Pero eso es verdad sólo a nivel muy local, porque en la práctica si el universo ha sido eterno la luz de las galaxias lejanas nos acabaría llegando con el tiempo y volveríamos a ver el cielo completamente iluminado.


Ya he dado una pista: el hecho de que de algunas direcciones del cielo no nos llegue luz es un excelente motivo para pensar que a lo mejor el universo no es eterno sino que tuvo un principio, y por lo tanto, de las regiones más alejadas todavía no ha dado tiempo a que nos llegue la luz. Ahora vamos a por la explicación completa.


En 1929, a la vez que se hundía la bolsa de Nueva Cork, un astrónomo californiano llamado Edwin Hubble se dedicaba a medir los movimientos de las galaxias. Al cabo de meses de trabajo anunció al mundo que todas se alejaban de nosotros, y que visto desde cualquier punto del cielo, cualquier objeto se aleja de los demás. Cuando alguien pregunta si tenemos pruebas de que el universo se expande, la respuesta es fácil: “sí, coge el telescopio y mira cómo se aleja todo”. Hubble demostró por la evidencia que el universo se hace cada vez más grande, en consonancia con la teoría general de la relatividad. Al aceptar que esa teoría podía ser válida, inmediatamente los astrofísicos empezaron a exprimirla para obtener más resultados. Y primera deducción: si todo se aleja es que hubo un momento anterior en el que todo estuvo más cerca. Y así antes de 1940 se tenía elaborado un modelo: hubo una vez en la que todo estuvo junto y se separó tras una gran explosión, el Big-Bang.


Por eso el cielo es negro, porque el universo tuvo un origen y se expande, no hacen falta más demostraciones que la evidencia, y además cuanto más lejos está un objeto, más debilitada es la luz que nos llega de él. Hablando técnicamente la luz se vuelve cada vez más rojiza con la distancia, si pudiéramos ver en el infrarrojo profundo captaríamos alguna señal luminosa más, y si pudiéramos ver toda toda la luz infrarroja, veríamos que el universo está lleno de una tenue luz rojiza. Eso es lo que ven los radiotelescopios, le llaman radiación de fondo y es la segunda prueba experimental que nos demuestra que hubo una explosión. Los modelos del big-bang pronosticaban que después de la explosión todo estaría muy caliente y los objetos se moverían muy rápido, y debido a la expansión se enfriaría todo progresivamente. Los números a día de hoy casan perfectamente y explican que la explosión tuvo lugar hace unos 13.500 millones de años, que la temperatura en el primer segundo era de trillones de grados, que al principio sólo salió luz y algunas particulillas sueltas como electroncillos, protoncillos y otros bichos cuánticos exóticos, que la luz se separó y quedó como radiación de fondo, el mayor y más antiguo fósil conocido, que por efecto de 2 fuerzas cuánticas que no son ni la electricidad ni la gravedad, aquellas particulillas se juntaron para formar átomos estables, que esos átomos eran nubes de gases y formaron estrellas, que por una casualidad extrema las estrellas pueden vivir miles de millones de años y a partir de esos gases forman la materia sólida, y que a la segunda o tercera generación estelar se formaron planetas capaces de albergar vida, en un universo ya casi frío, a sólo 2’7 grados por encima del cero absoluto, un universo que no se volverá a contraer y generará enormes regiones vacías, donde al cabo de unas pocas generaciones la materia expulsada por las estrellas no será capaz de volver a agruparse y se enfriará lentamente. La historia del universo es la historia de un enfriamiento, y probablemente estamos viviendo un momento privilegiado de dicha historia, porque los habitantes que vengan después, durante la 4ª o 5ª generación estelar no tendrán nada que observar en el cielo.


Es una historia dura, pero probablemente cualquier historia con vocación de trascendencia lo es. Por ejemplo, no sería mucho mejor imaginar que todas las galaxias vuelvan hacia nosotros para morir por aplastamiento. Sólo los modelos de ciclos eternos o de universos estáticos nos reconfortan algo, y aun así siempre habrá alguien a quien le parezcan vacíos y se pregunte sobre la finalidad de todo esto. Las religiones han dado respuestas compatibles en cierta medida con la mentalidad humana. Pero mientras tanto la obligación de la ciencia será siempre seguir haciendo preguntas descorazonadoras.








Mi opinión personal


Entre los argumentos que expongo a continuación hay muy pocas ideas mías. Son un conjunto de teorías expuestas por cosmólogos, biólogos, pensadores… Lo que es mío es el criterio para seleccionarlas y construir un hilo conductor del razonamiento.


Mi opinión es que existe un por qué de todo esto. En el anterior post he pintado un cuadro simplista del big-bang, pero en realidad el proceso fue más extraño: existen 4 fuerzas en la naturaleza de intensidades diferentes, con la propiedad de que dichas intensidades cambian con los cambios de temperatura de una manera tan ajustada que los 3 primeros minutos desde el big-bang fueron una sucesión de:
1. predominancia de una fuerza,
2. efectos provocados por esa fuerza (separación de la luz, fusiones de quarks, fusiones de átomos, etc),
3. al cabo de unos segundos decaimiento de la temperatura por efecto de la expansión, y por lo tanto debilitamiento de la fuerza dominante
4. que cede el poder a otra más fuerte a temperaturas más frías, que así provoca otros efectos, etc.
El resultado no podía ser más preciso: 3 minutos después del big-bang estaban creados todos los constituyentes necesarios para formar un universo partiendo únicamente de luz y gas generados en una explosión. Esto es muy, muy parecido a la germinación de una semilla. O es muy parecido a la ejecución de un programa informático. El big-bang fue una fluctuación cuántica que se amplificó, y por eso el universo no es homogéneo sino que es la réplica de aquella “semilla primigenia”.


Descubrimos también que las leyes a pequeña escala funcionan de una manera extraña que obliga a los objetos a adoptar sólo ciertos valores cuánticos, pero resulta que esta manera de funcionar aporta una ayuda clave para la estabilidad de las moléculas. ¿Por qué? por ejemplo nuestro ADN es una cadena de billones de átomos enroscados en espiral, una espiral que si la intentáramos construir con papel o cerillas se nos desmontaría por todas partes, ¿pero por qué aguanta esa espiral en nuestras células? porque la cuántica la obliga a aguantarse. Porque los valores de las fuerzas cuánticas están ajustados con tanta precisión que obligan a los átomos a situarse en una posición determinada. Si no existieran las leyes cuánticas no existiría el ADN y no existiría la vida, pero como estas leyes son absurdas a gran escala, no existen en el macro mundo. Esto es muy, muy inquietante. Es como si la naturaleza tuviera herramientas para trabajar a pequeñas, grandes o muy grandes escalas y supiera cómo desarrollar la semilla cuántica inicial hasta obtener lo que vemos hoy en día. Las leyes naturales que siempre nos han parecido algo universal e inmutable en realidad son una curiosa combinación de rangos de validez en un tiempo y espacio determinado que determinan qué efectos prevalecen más en cada momento. De hecho sospechamos que existen más leyes que tomarán el relevo en un futuro. Por ejemplo desde hace 15 años se vislumbra que existe una gravedad repulsiva a grandes escalas, le llaman “quintaesencia” o “energía oscura”. No sabemos lo que es, pero seguro que llegará un momento en el que tendrá su importancia en la historia universal. Al final la naturaleza está ejecutando algoritmos, y no sabemos quién los diseñó.


Otro tema inquietante: ¿estamos solos? Es decir, ¿existe la vida extraterrestre? Pues lamentablemente hay que decir que quizá no. El argumento de “con lo grande que es esto y los millones de planetas que hay, seguro que existe la vida” parece de una lógica aplastante, pero… repasando la historia vemos que aparecimos en la Tierra hace un millón de años, en una estrella de tercera generación, y que el ser humano como especie inteligente capaz de moverse por el espacio y emitir señales ha necesitado apenas 2000 años para desarrollar su tecnología. Es decir, ¡¡somos los últimos en llegar!! En estrellas de segunda generación debería haber civilizaciones que nos aventajen en 5.000 millones de años! Incluso dentro de las estrellas de tercera generación, entre las que el Sol no destaca especialmente, debería haber otros planetas en los que se nos hayan adelantado! Pero aquí llevamos más de un siglo mandando ondas de radio al espacio y no encontramos nada procedente de lugares más antiguos. Entonces, o una de dos: o estamos solos o somos la civilización más avanzada que existe. Sí, sé que es exagerado decir esto cuando todavía no hemos rastreado completamente el cosmos, pero empieza a ser muy extraño no haber encontrado nada a estas alturas, porque ¿hemos pensado en la tecnología? Nosotros probablemente antes de 2 siglos habremos construido ascensores espaciales, o hayamos alterado algún planeta, quizá habremos podido hacer algo en el Sol… y cualquiera que mire entonces el sistema solar desde otro sitio verá que estos humanos recién llegados, en el año 2300 habrán construido algo visible desde el espacio. Pero nosotros no conseguimos ver nada en ningún otro sitio. Entonces… ¿es posible que en estos últimos 10.000 millones de años no haya surgido algo parecido a la vida en ningún planeta más? Quizá sea así.


No conocemos gran cosa sobre el origen de la vida. Admitimos que por una enorme cadena de casualidades las condiciones terrestres pudieron crear las moléculas orgánicas que nos forman. Una vez más aparecen coincidencias extrañas en las leyes naturales que indican que la manera más viable de construir un ser vivo es hacerlo parecido a lo que hay en la Tierra. Los cosmólogos llaman a esto “principio antrópico”. Aquel zigoto que nos originó supo cómo reproducirse para formar brazos, piernas y órganos porque llevamos impreso nuestro ADN en todas las células del cuerpo, y da la impresión de que mediante un mecanismo parecido, aquella fluctuación cuántica que fue el big-bang llevaba impreso un conjunto de leyes que explicaban cómo debía crecer un universo capaz de albergar vida. Y esta vida desarrollada, inteligente, que somos nosotros, quizá no esté muy lejos de crear sus propias fluctuaciones cuánticas artificiales en laboratorios. En el acelerador de partículas de Ginebra quizá se hayan originado ya mini-agujeros negros (hubo incluso una demanda judicial contra el aparato “por riesgo de destruir el universo”, no me lo invento). Pero lo cierto es que al no saber cómo está organizada la materia dentro de los agujeros negros la posibilidad de que sean semillas capaces de formar otros universos es demasiado tentadora como para no explorarla. Y no es descabellado pensar en las dimensiones alternativas en las que se desarrollarían estos universos: hay precedentes de teorías que hablan de la existencia de otras dimensiones y hoy en día se da casi por seguro que la gravedad se mueve, al menos, en una dimensión adicional, inaccesible para nosotros.


Lo que empieza a no ser descartable es que quizá algún día entendamos del todo las condiciones del universo primitivo, y entonces probablemente seremos capaces de reproducirlas a voluntad en un laboratorio, si es que no lo hemos hecho ya en Ginebra. ¿Y qué características tendrá ese universo que hayamos creado? Pues por genética LE TRANSMITIREMOS LAS LEYES DE NUESTRO PROPIO UNIVERSO. Podríamos generar un big-bang en el cual transmitamos a otros seres este mismo código físico expresado en forma de leyes que a nosotros nos ha servido para crear planetas y vida a partir de luz y gas. Quizá, debido a imperfecciones en los experimentos, hasta transmitiríamos accidentalmente alguna ley de forma ligeramente cambiada, y eso es una mutación genética. Quizá procedamos nosotros de la acción de otros seres en un mundo pasado. Quizá estemos solos en el universo porque toda esta cantidad de materia es necesaria para el desarrollo de una única especie que sea capaz de volver a crear la misma explosión con sus herramientas y vuelva a empezar el ciclo cósmico. Los universos creados con condiciones naturales inadecuadas no prosperarán, y aquellos que accidentalmente hereden leyes que favorezcan la estabilidad desarrollarán vida inteligente con capacidad de reproducción cósmica. Es una teoría de la evolución a escala universal, y a mí todo esto me hace pensar que formamos parte de algo superior.


Gracias por leerlo entero, ha sido muy denso pero el acto de pensar nunca tiene límites. Gracias, feliz verano, y buenas vacaciones!

domingo, 24 de julio de 2011

Polvo de estrellas

¿Qué es lo más longevo que existe? ¿Cuál es el ser vivo u objeto que más tiempo perdura? En la Tierra la referencia más habitual son algunos árboles como las sequoias, que viven unos 3.000 años. Son árboles que nacieron antes que se desarrollara la civilización romana, que convivieron con el Alto Egipto o con la Baja Mesopotamia. Según la wikipedia el récord terrestre se atribuye de manera extraoficial a una esponja gigante de la Antártida que se supone que lleva viviendo más de 10.000 años. Más o menos cuando terminó el paleolítico y el ser humano entró en la era neolítica.

El hombre como especie existe desde hace un millón de años (fecha admitida “por redondear” para marcar la transición entre primates y homínidos). Los yacimientos de Crô-Magnon y Neandertal son de ayer mismo, unos 30.000 años. Atapuerca ha sido una revolución por contener esqueletos humanos de 800.000 años. Antes de los humanos existieron otros mamíferos, anteriormente pájaros, y siguiendo en orden inverso, reptiles, crustáceos, peces, plantas, bacterias, etc. Se supone que la vida en la Tierra surgió hace 1000 millones de años. Es importante la unidad 1000 millones. Nuestro idioma es de los pocos que no tienen una palabra para definirla. Para los anglosajones es un ‘billion’, los italianos y franceses utilizan un despreciativo de millón, el ‘millard’, y los informáticos el Giga. Cuando hacíamos las cuentas en pesetas la unidad 1000 millones era la normal para hablar de grandes eventos. Una línea de AVE cuesta medio millardo de pesetas (le llamaré así), el Fòrum costó casi un millardo de euros, las Olimpiadas del 92 un millardo de dólares… Vamos a cambiar la escala, a partir de ahora hablaré en esta palabra rara.

La vida surgió hace un millardo de años, y la Tierra tiene 5’5 millardos de edad. Eso significa que surgió relativamente tarde, pero probablemente fue el tiempo necesario para que se dieran las condiciones ambientales y la creación de moléculas químicas capaces de dar el salto a la vida. La Luna y resto de planetas que nos acompañan se crearon más o menos a la vez. El Sol se formó un poco antes, hace unos 5’7 millardos, y en el próximo post explicaré que el universo tiene unos 13’5 millardos de años de vida.

Y vuelvo al principio. Resulta que por una extraña combinación de valores y leyes físicas, las estrellas son capaces de aguantar de forma estable durante varios millardos de años. Su longevidad depende fundamentalmente de su masa, las más grandes mueren jóvenes, hacia el millardo de año de vida, y las más pequeñas pueden aguantar unos 15 millardos de años, en concordancia con las observaciones que muestran que aún existen estrellas primitivas. El Sol está prácticamente a la mitad de su existencia, así que no hay que preocuparse porque le quedan más de 5000 millones de años antes de que empiece a ‘hacer cosas raras’. Y mejor así, porque las cosas raras que hará serán volverse rojo, engordar y tragarse la Tierra. Esta es la muerte de una estrella típica.

Casi siempre pensamos en los sistemas como estáticos, pero cualquier objeto tiene una evolución. Las estrellas nacen, crecen y mueren. Nacen como colapso de nubes de gas y crecen rápidamente hasta que absorben toda su nube. A partir de ahí viven de forma extraordinariamente estable alimentándose de convertir su gas hidrógeno en gas helio mediante reacciones nucleares basadas en la preciosa mecánica cuántica. Esto permite dar tiempo para que se desarrolle la vida en los planetas de su entorno. Y primer problema: al principio del universo sólo había gas, que dio lugar a las estrellas. ¿Cómo nacieron los planetas? Pues espectacularmente de la muerte de otras estrellas.

Sí, el big-bang sólo creó una nube aburrida de gas, como cualquier explosión. Pero ese gas se concentró y formó estrellas, que convierten el hidrógeno en helio, y el helio en oxígeno, y el oxígeno en carbono, y luego en flúor, y en nitrógeno, y en hierro, y en aluminio, y en oro… Y cuando la estrella muere lo hace generalmente en forma de explosión gigantesca, capaz de expulsar por amplias regiones del espacio todos estos elementos. Todo lo que vemos, y todo lo que nos forma, nació en la explosión de una estrella más vieja que el Sol. Literalmente estamos hechos de polvo de estrellas muertas. Y este es el ciclo de la vida: el Sol explotará y otra estrella surgirá de los restos, y quizá surjan otros seres que hablarán de nosotros en sus blogs. Y ya podemos calcular que si el universo tiene unos 13’5 millardos de años, y una estrella vive en promedio unos 5 millardos, lo normal es que las estrellas que veamos sean de segunda o tercera generación. El Sol es de tercera, y de la primera quedan muy pocas. Son raras y únicamente se componen del gas original del big-bang.

Con esto introduzco la idea de ciclo cósmico. En el próximo post explicaré el origen de todo esto y su futuro. Pero cierro el post con una nota de ciencia-ficción: los agujeros negros. Existen y son estrellas muertas, pero estrellas tan pesadas que su propia explosión no consiguió desintegrarlas, y por efecto de su propia gravedad colapsaron juntando mucha materia en poco espacio. Recordando la teoría de la relatividad, cualquier masa deforma el espacio, y si la masa es muy grande puede llegar a deformarlo tanto que crea un pozo del que nada sale, ni siquiera la luz. En 1996 se confirmó por primera vez la existencia de uno de ellos. Pero no pensemos en túneles para viajar: en las cercanías del agujero negro la gravedad es tan intensa que todo se despedaza. Y para salir por otro lado haría falta la existencia de ‘agujeros blancos’, fuentes de materia y luz que sí que caen completamente en el dominio de la ciencia-ficción. Y por hoy esto es todo y me despido de vosotros, cadáveres estelares.

sábado, 16 de julio de 2011

Después de inventar la teoría de la relatividad, Einstein inventó la teoría de la relatividad

Quien haya tenido paciencia para tragarse y entender alguno de mis posts anteriores habrá visto que a principios del siglo XX tuvieron lugar dos revoluciones conceptuales en el mundo de la ciencia básica. Una de ellas es la mecánica cuántica, sobre la cual no insistiré más para no provocar colapsos cardíacos; la otra es la mal llamada teoría de la relatividad.

Entendámonos, claro que existe la teoría de la relatividad. Tanto es así que existen dos, y las dos fueron formuladas por Einstein en 1905 y 1915, y se llaman respectivamente ‘relatividad especial’ y ‘relatividad general’. Por qué la historia ha conservado el nombre genérico de relatividad dando a entender que sólo existe una sola teoría es un misterio, y de dónde sale la leyenda de que a Einstein le dieron el premio Nobel por ella es otro misterio, y supongo que las claves para entenderlos se basan en la excesiva vulgarización de la ciencia.

Abro un paréntesis, nosotros tenemos una palabra bonita: divulgar. Etimológicamente significa expresar algo para el vulgo, o sea el pueblo. En otros idiomas han cogido la misma raiz pero a difundir le llaman vulgarizar, dando a entender que el verdadero significado del conocimiento sólo es accesible para los iniciados. Y con este mismo espíritu de satirización se alimenta la idea de que Einstein es un viejo de pelo blanco que saca la lengua en la pizarra, va en zapatillas por la calle y se parece al Doc de Regreso al Futuro. En el fondo es una vía de escape para no reconocer abiertamente que esas teorías de la relatividad nos superan.

Ha pasado más de un siglo desde que nació la primera teoría de la relatividad, y en el 2015 celebraremos el aniversario de la segunda, y ya va siendo hora de que asimilemos sus ideas como una cosa natural, de la misma manera que hemos modificado el pensamiento social, económico o antropológico en las últimas décadas. La historia de la relatividad es la historia de unas ideas demasiado rompedoras para una concepción conservadora del mundo, es la historia de la negación de los datos experimentales y de una irrenunciable manera de entender el mundo. Y de hecho, siendo objetivos, Einstein no descubrió nada, solamente interpretó los hechos. En 1895 existía la tecnología para medir la velocidad de la luz, la más rápida que existe, y salía el resultado extraño de que los rayos siempre se movían igual de rápido. Incluso si la bombilla estaba en movimiento; incluso mirando el rayo hacia delante o hacia atrás de la bombilla en movimiento. Incluso mandando rayos a Júpiter o a la Luna desde una Tierra que se mueve (a 30km/segundo, por si a alguien le interesa). Siempre salía que la luz viaja a casi 300.000 kilómetros por segundo.

No entaré en detalles técnicos. Einstein hizo lo que hoy en día nos sigue costando: aceptar la realidad y entenderla según los datos que nos aporta. Es indignante, y ligeramente patético, ver en muchos campos del conocimiento a quienes sostienen una doctrina elegante a sus ojos y sólo escuchan los datos u opiniones que les son favorables, negando incluso la validez de los contrarios. Einstein asumió como verdad el hecho de que la luz siempre tiene el mismo aspecto y velocidad indiferentemente de cómo se mire, y cuando las ecuaciones resultantes arrojaban la conclusión de que el tiempo es distinto según a la velocidad que se mueva el observador, lo aceptó como verdad con la que había que convivir. El resumen de la primera teoría de la relatividad, la especial es: el tiempo transcurre de una manera constante medible con un reloj para cualquier cuerpo, persona u observador, pero si éste se pone en movimiento, y en particular si se mueve a velocidades elevadas, el curso del tiempo literalmente transcurre más despacio. Cuando vais en avión a América no os movéis demasiado rápido, sólo a unos 600 o 900 km por hora según el viento, pero este efecto multiplicado por 8 horas hace que los que hayáis cruzado el océano hayáis vivido en torno a una milésima de segundo menos que los que nos hemos quedado aquí. Es poco relevante, es una curiosidad de feria, pero sucede y se puede medir. De igual manera, cuando algo se mueve incrementa su masa de forma natural. No es que engorde, sino que pesa más. El que va en un avión pesa unas cuantas milésimas de gramo más que cuando está en tierra, y aunque el efecto es despreciable, marca una barrera, que es la imposibilidad de superar la velocidad de la luz. Si intentamos empujar algo a lo bruto hasta que alcance 300.000 km/seg, nos encontraremos con que su peso crece hasta alcanzar el infinito, literalmente no podremos empujarlo más. Y su sensación de transcurso del tiempo será de parón: el tiempo no transcurrirá. Estas son las razones por las que la velocidad de la luz es insuperable, y no dejeis volar la imaginación: la naturaleza funciona así.

Complicado, ¿no? Pues en 1905 esa fue la sensación de los sabios cuando leyeron el artículo de Einstein, aquel chaval que había sido el último de la clase en el politécnico de Zürich y se había tenido que reciclar en burócrata de una oficina de patentes en Berna. Esto que acabáis de leer es un resumen de teoría de la relatividad especial, la de que “el tiempo es relativo”. Cuando en 1929 se le acabó concediendo a Einstein el Premio Nobel, las razones fueron por explicar el efecto fotoeléctrico (es cuántico, olvidaros), “y otras contribuciones a la física teórica”.

Pero en 1915 los espíritus ya estaban contagiados de las revoluciones ideológicas. En Rusia inventaban un nuevo concepto del mundo y en occidente (menos España) nos lanzábamos a la primera guerra global. Einstein se encerró en una habitación durante 15 días, le pidió a su mujer de entonces (la segunda o la tercera ya) que le dejara la comida en la puerta, y finalmente salió con dos folios en la mano: la revolución de la relatividad general. Intrigado por en cambio de la masa cuando un cuerpo está en movimiento, Eintein descubrió un doble juego extraño: cualquier cuerpo es capaz de deformar el espacio-tiempo (ya para entonces una única entidad), y los cuerpos que se mueven en un espacio-tiempo curvado no siguen trayectorias rectas, y eso da la impresión de atracción gravitatoria. La teoría general de la relatividad es en realidad una teoría de la gravitación. ¿Y cómo de grande es esta deformación del espacio o de las trayectorias? Pues la que da la masa del cuerpo multiplicada por la velocidad de la luz dos veces, o sea… la famosa E=mc2.

No preocuparse, no hay que entender los detalles. La cuestión es que a principios del siglo XX, por última vez en la historia, una única persona fue capaz de cambiar la visión del mundo. Desde entonces trabajamos en gigantescos equipos, de más de 1000 personas, con máquinas que nos hacen nuestro trabajo. Fue la última vez que una mente teórica cambió las ideas. En 1918 empezaron a llegar las primeras confirmaciones de la teoría: se confirmó la predicción de que el tiempo también va más despacio cerca de una gran masa poniendo un reloj en el Himalaya y otro al nivel del mar y se confirmó la deformación del espacio-tiempo viendo el cambio de dirección de un rayo de luz cerca de una estrella. A día de hoy, ya nadie discute la teoría, pero Einstein murió en 1957 teniendo más detractores que partidarios.


Los “contras”

He ignorado deliberadamente dos obstáculos a la teoría por simplificar la historia. En 1917 un soldado ruso llamado Schwarzschild que combatía en el frente de Polonia envió una carta a Einstein explicándole que si su teoría era cierta, las estrellas muy pesadas tenían que colapsar convirtiéndose en una especie de pozo extraño que hoy en día llamamos “agujero negro”. Es algo tan bestia que deforma tanto el espacio-tiempo que lo colapsa, y durante décadas se pensó que era una idea teórica sin reflejo en la naturaleza. Hoy en día nos parecen objetos cotidianos, aunque la confirmación de la existencia del primero llegara en 1997, pero hasta su muerte Einstein estuvo jurando en todos los idiomas conocidos sobre esa pequeña objeción a su teoría que iba en contra del sentido común.

Y en 1921 un pequeño cura católico belga llamado Lemaître también escribió a Einstein explicándole que según sus ecuaciones, el Universo no podía ser estático, sino que tenía que autocrearse continuamente de forma que cada vez hubiera más espacio entre un sitio y otro. Ahí ya Einstein rompió sus ecuaciones, las retocó y las deformó hasta que se adaptaran al “sentido común”: un universo constante. Mi próximo post explicará que en 1929 esto saltará por los aires, que se constata empíricamente la expansión del universo, y que Einstein al darse cuenta de que podía haber predicho este modelo cosmológico acabó declarando que aquello fue “el mayor error de su carrera”.

sábado, 9 de julio de 2011

Haciendo de gurú con la cuántica

La suerte de no pasar a la posteridad es que puedes decir lo que quieras sin que nadie venga a manchar tu memoria dentro de 200 años. Así que no integraré la lista de aquellos físicos que demostraron matemáticamente que un avión no podía volar o que la electricidad nunca tendría aplicaciones prácticas. Digo esto para aclarar que la predicción de que el ordenador cuántico no se podrá construir es una opinión personal, aunque fundada sobre los graves inconvenientes prácticos encontrados a día de hoy y que yo considero insalvables por naturaleza. Ahora bien, lo más importante de una predicción no es si es acertada o errónea, sino el camino de pensamiento que lleva hasta ella. Así que siguiendo esa línea, puedo lanzar unas cuantas hipótesis más sobre las posibilidades que nos ofrece la física cuántica y que todavía no han sido desarrolladas en su totalidad.

Teletransportación. Sí, es viable, pero una vez más, sólo a las escalas pequeñas del mundo cuántico. Aprovechando la naturaleza ondulatoria de las cosas pequeñas sería posible forzar a una partícula a localizarse en un punto u otro. Pero es todavía más interesante la multilocalización, es decir, conseguir que un sistema cuántico pueda estar en múltiples lugares a la vez. Se ha conseguido hacer hasta con átomos. Y lo que es interesante de verdad es la teletransportación de información: aprovechando que la probabilidad de localización de cualquier objeto se extiende por el universo entero, y que dos elementos que han estado en contacto en un momento dado lo seguirán estando siempre, se puede transmitir información instantáneamente a un objeto situado en la otra punta del mundo solamente manipulando un objeto que previamente estuvo ligado a él. Se está trabajando mucho en esta tecnología, se conoce como “entrelazamiento cuántico” y “paradoja EPR”, podéis buscarlo.

Viajes en el tiempo. A día de hoy sigue siendo imposible según la teoría de la relatividad. Hablaré de ella otro día. Mi opinión es que será imposible siempre porque hay muchos fenómenos naturales que marcan una dirección determinada en el tiempo y que lo hacen irreversible. Es uno de los límites absolutos de la naturaleza, como el frío absoluto, la velocidad máxima, etc. Pero queda una puerta abierta: según algunas interpretaciones, parece ser que el estado cuántico que notamos en algunas partículas es el resultado de su historial de interacciones con otras partículas en el pasado… ¡y en el futuro!. Matemáticamente las ecuaciones se simplifican mucho si se incluye la influencia del futuro en el presente.

Y una puerta más que abre una cierta manera de viajar en el tiempo es moverse a grandes velocidades: para el resto del mundo transcurre el tiempo a su velocidad normal pero para el que viaja se mueve muy lentamente, incluso prácticamente se para si la velocidad es alta. Lo hemos visto en películas de ciencia-ficción: los astronautas han viajado durante siglos casi a la velocidad de la luz, para ellos ha pasado un año pero cuando regresan a la Tierra se encuentran con que han transcurrido miles de años y el planeta está destruido.

Creación de materia. Sí, claro que es posible. La creación de materia a partir de energía y vice-versa es un hecho. El inconveniente es que es carísimo. Haría falta toda una central nuclear para construir un gramo de uranio, porque es revertir el proceso normal. Hace años que se abandonó la construcción de diamantes para uso industrial o la fabricación de oro artificial porque sale mucho más caro que buscarlos en las minas. También creamos materia artificial en los aceleradores de partículas, cuya finalidad es buscar materia exótica. Esa sí que es una rama teórica interesante: a día de hoy sabemos que más del 90% de la materia que forma el universo es exótica y distinta a la que conocemos. Ya en la Tierra sabemos que todo está formado por electrones y protones, pero que hay otras dos familias más de partículas que están ahí, sin participar, y que podrían formar materia normal. Llevan ahí desde el tiempo del big-bang. En el Cosmocaixa tenéis un precioso detector de partículas cósmicas en el que podéis ver muones, tauones y otros bichos raros en tiempo real. Incluso lo podéis fabricar en casa: es una “cámara de niebla”, buscadlo si queréis. Y de otra la materia que llena las galaxias no imaginamos ni cómo puede ser. Se la ha llamado “materia oscura” porque no brilla, pero no sabemos nada más de ella.

En definitiva, se nos están planteando numerosos enigmas y estamos repitiendo la historia. A finales del siglo XIX parecía que la ciencia estaba acabada. Incluso una revista americana publicó una lista con los últimos 27 problemas que quedaban por resolver y experimentos que quedaban por explicar, dando una recompensa de miles de dólares para cada persona que consiguiera solucionar alguna de las cuestiones. Varias de ellas necesitaban la mecánica cuántica y la relatividad. Hubo que formular dos nuevas teorías y ha costado casi un siglo entenderlas. El premio ha sido obtener una descripción casi completa del mundo y su historia, pero cuando en los años 90 parecía que sólo quedaba confirmar detalles, hemos vuelto a descubrir que no sabemos nada. La mayoría del universo está formado por cosas que no sabemos lo que son, parece ser que existen más fuerzas de las que conocemos como una gravedad repulsiva, la teoría del caos nos sugiere que la complejidad es algo que surge espontáneamente, se nos sigue resistiendo saber qué es la vida, etc. Y yo me alegro, porque con este material tengo para llenar un blog durante 100 años más.

viernes, 8 de julio de 2011

La cuántica: una de las dos sacudidas científicas del siglo XX

En 1899 se pensaba que las leyes importantes de la ciencia ya estaban descubiertas. El triunfo del pensamiento racional generalizado desde la época del Renacimiento había generado la confianza suficiente para pensar que el mundo funcionaba como un reloj, de forma que teniendo las fórmulas adecuadas y la capacidad de cálculo necesaria podía ser posible conocer el comportamiento de cualquier sistema o entidad. De hecho, por aquel entonces se aconsejaba a los alumnos brillantes que estudiaran otras ramas de la ciencia alejadas de la física porque aquello era un campo muerto.

Bien, pues justo cuando faltaban 17 días para estrenar el siglo XX, esta concepción saltó por los aires al anunciarse una nueva explicación del mundo a pequeñas escalas: la mecánica cuántica.

Se suele pensar que hablar de cuántica puede ser interesante para el que le guste la ciencia, pero ¿qué utilidad tiene? Bueno, quiero explicar la enorme trascendencia de esta revolución científica. Toda la ciencia del siglo XX, y toda nuestra tecnología moderna se basan en correctas aplicaciones de los fenómenos cuánticos. Sobre ellos se basó la concepción del diodo y el transistor, y con ellos la electrónica entera. No hace falta que conozcamos los detalles de su funcionamiento, pero los usamos constantemente y con ellos hemos creado ordenadores, teléfonos móviles, etc. También basándose en conceptos cuánticos más avanzados funcionan los lectores de códigos de barras, y estirando una predicción más importante de la física cuántica hemos descubierto la antimateria. Sí, sí, la antimateria, ese combustible de la nave de Star Treck existe. Es como una materia “negativa”, del mismo aspecto que la ordinaria, sólo que cuando las dos entran en contacto se aniquilan mutuamente. Y no es ciencia-ficción: cuando te hacen un TAC por ejemplo, esos scanners del cuerpo que te seccionan en rodajas de un milímetro, te están bombardeando con positrones, que son la antimateria de los electrones.

Después de sentar los principios de la física cuántica los físicos se dedicaron a estudiar el átomo, y durante la Segunda Guerra Mundial llegó la tecnología atómica con sus bombas y sus centrales atómicas. La tecnología atómica es una consecuencia de la teoría de la relatividad #futuropost. Einstein estableció que la materia se puede deshacer en energía y vice-versa. Así funciona una central (la palabra “nuclear” vino un poco después, cuando la tecnología permitió estudiar solamente el núcleo del átomo), una bomba atómica, y los tratamientos de radioterapia contra los tumores cancerígenos. También hemos aprendido a entender por qué brillan las estrellas, que era un tema que preocupaba desde el siglo XIX. No brillan por fuego, sino por una reacción nuclear: la estrella tiene hidrógeno y lo convierte en helio. Esto lo explicaré otro día #futuropost.


Bueno, ¿y entonces qué es exactamente eso de la cuántica?

La mecánica cuántica no es propiamente hablando una teoría, sino una descripción de la naturaleza a pequeña escala. Es decir, es un conjunto de reglas que nos informan de cómo es el mundo visto al tamaño de las cosas más pequeñas que existen. Y es completamente distinto a nuestro macromundo.

Para empezar, cuando uno intenta trabajar con cosas pequeñas se encuentra con que el mundo no es analógico sino digital. Es decir, las cosas no pueden tener valores arbitrarios sino múltiplos de ciertas cantidades, como si todo funcionara por escalones. La temperatura de algo no puede ser de un escalón y medio, por ejemplo. Esto le pasa también a las fuerzas, a los pesos y se sospecha que al mismo espacio y el tiempo. Un reloj de arena puede ser una buena metáfora de la cuantización del tiempo.

Pero los efectos más extraños se notan cuando se intenta “atrapar” una cosa pequeña. No se puede saber exactamente dónde está porque parece que está en muchos sitios a la vez. Además, si repites la misma prueba muchas veces te salen resultados distintos, con lo cual sólo puedes encontrar probabilidades. Unas veces ves algo que mira hacia arriba y otras mira hacia abajo y te tienes que contentar con hacer apuestas. Más aún, si puedes encontrar resultados distintos es porque en realidad están sucediendo varias cosas a la vez. Si algo puede mirar hacia arriba o hacia abajo lo hace en las dos direcciones, y mientras tú no mires tu átomo está mirando a la vez hacia arriba y abajo. Y si cuando el átomo mira hacia abajo toca un cable que lanza una descarga de 20000 voltios a un gato que tiene al otro extremo, obtienes la famosa paradoja de Schrödinger, en la que el gato está a la vez vivo y muerto porque tu átomo está mirando simultáneamente en las dos direcciones. La resolución de la paradoja conduce al misterio más extraño que se conoce en ciencia a día de hoy: en el momento de mirar algo parece que influyes de alguna manera y la naturaleza se decanta por un resultado. Repito: las cosas evolucionan de manera distinta cuando se dejan solas que cuando se miran. Está comprobado el los laboratorios hasta el aburrimiento.

¿Alguien se ha enterado de algo? ¿no?... Normal. Es que nadie lo entiende. Los científicos, a fuerza de repetir estas reglas muchas veces se acaban familiarizando con ellas. Y mientras les sean útiles para hacer cálculos, las aplican. Y eso que no he hablado de cosas bizarras como que un átomo de mi cuerpo puede estar ahora mismo en la Luna, o el famoso experimento de las dos rendijas, en el que un electrón puede pasar por las dos a la vez.

Han pasado 111 años, y todavía seguimos sin entender por qué las cosas pequeñas funcionan así. En http://gurusyvidentes.blogspot.com/2011/07/que-sabemos-del-ordenador-cuantico.html, explico cómo se interpretó inicialmente la mecánica cuántica, y cómo hoy se está refinando esa concepción. Pero los interrogantes sobre el verdadero significado de la teoría siguen ahí. No hay explicación al hecho absurdo de que el mundo funcione de forma diferente, tan enormemente diferente, a pequeños niveles. Racionalmente no hacían falta nuevas leyes, y sobre todo no nos hacía falta esa extraña curiosidad inquietante según la cual cada vez que observamos algo estamos cambiando el mundo. Si alguien tiene interés en el tema, que mire la película “Y tú qué sabes?” (en inglés “What the Bleep?”). No es científica, no hay que tomársela al pie de la letra, pero entenderá los misterios que nos está sugiriendo el mundo cuántico.